2. Zemes klimats un to veidojošie faktori

Koncepcijai, ka Zemes atmosfēras sastāvs var ietekmēt Zemes klimatu un no Saules saņemto enerģijas daudzumu, ir vairāk nekā 100 gadu. Pirmie atmosfēras gāzu sastāva ietekmi uz Zemes klimatu pētīja angļu fiziķis Džons Tindals un zviedru ķīmiķis Svante Areniuss.

No Saules starojuma Zemes virsma uzsilst, un līdz ar to Zeme izstaro siltumu kosmiskajā telpā. Tomēr Zemes virsmas temperatūra ir ievērojami zemāka nekā Saules virsmas temperatūra, tādēļ starojuma enerģija, ko Zeme izstaro, ir ievērojami zemāka un starojuma viļņu garums – ievērojami lielāks nekā starojumam, kas nāk no Saules (sk. 2.4. att.). Zemes virsma galvenokārt izstaro infrasarkano jeb siltuma starojumu. Arī no Zemes virsmas atstarotais infrasarkanais starojums spēj mijiedarboties ar atmosfēru veidojošām gāzēm (sk. 2.6. att.).

2.6. att. No Zemes virsmas izstarotā starojuma spektrs un mijiedarbība ar atmosfēru veidojošām gāzēm.

Attēls modificēts pēc Jacobson, 2002.

Vairākas atmosfēru veidojošas gāzes spēj intensīvi absorbēt infrasarkano starojumu. Šādas gāzes ir ogļskābā gāze CO₂, metāns CH₄, ozons O₃ un ūdens tvaiki, kā arī slāpekļa(I) oksīds N₂O un cilvēka darbības rezultātā atmosfērā nokļuvušās gāzes – hlorfluorogļūdeņraži (freoni) un sēra heksafluorīds SF⁶.

Tādas gāzes kā ogļskābā gāze, metāns un arī ūdens tvaiki atmosfērā darbojas līdzīgi kā stikls siltumnīcā (2.7. attēls). Tās ir caurlaidīgas ienākošajam starojumam, bet aiztur no Zemes virsmas atstaroto infrasarkano (siltuma) starojumu. Ņemot vērā iedarbības efektu, šīs gāzes sauc par siltumnīcefekta gāzēm. Jo augstāka ir siltumnīcefekta gāzu koncentrācija atmosfērā, jo vairāk infrasarkanā starojuma (siltuma) tiek aizturēts Zemes atmosfērā, un līdz ar to pieaug Zemes virsmas temperatūra. Ja Zemes atmosfēru veidotu tikai slāpeklis un skābeklis – gāzes, kas neietekmē siltu,starojumu, kas tiek izstarots no Zemes virsmas, – Zemes vidējā temperatūra būtu tikai 6 ºC (faktiski tā ir aptuveni +15 ºC).

Hipotēzi par siltumnīcefektu veidojošo gāzu un, pirmkārt, par CO₂ nozīmi Zemes klimata veidošanā Svante Areniuss izteica jau 1896. gadā. Viņa aprēķini, ka CO₂ koncentrācijas dubultošanās atmosfērā var izraisīt Zemes vidējās temperatūras pieaugumu par 5–6 ºC, mūsdienās pilnībā apstiprinās.

2.7. attēls. Saules elektromagnētiskā starojuma absorbcijas princips Zemes atmosfērā un siltumnīcā. Jo augstāka siltumnīcefekta gāzu koncentrācija, jo vairāk infrasarkanā starojuma tiek absorbēts un atgriezts atpakaļ uz Zemes virsmas.

Atļauja pēc „Climate Change 2007: The Physical Science Basis”, IPCC.

Pat nelielas siltumnīcefekta gāzu daudzuma izmaiņas atmosfērā pavada temperatūras izmaiņas uz Zemes, līdz ar to mainās ledāju platība, okeāna līmenis, straumju režīms, biotopu izplatība un klimats.

Katru no siltumnīcefekta gāzēm (sk. 2.3. tabulu) raksturo atšķirīga spēja saistīt un atgriezt uz Zemi Saules starojumu – saules starojuma radiācija vai radiācijas daudzums (RD), ko izsaka vatos uz kvadrātmetru (W/m²). Radiācijas daudzums parāda, kā attiecīgā gāze ietekmē enerģijas daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu, un līdz ar to parāda, cik lielā mērā tā spēj ietekmēt klimata mainības veidu. Ja radiācijas daudzuma vērtība ir ar pozitīvu zīmi, tad gāze sekmē Zemes temperatūras paaugstināšanos, bet, ja ar negatīvu zīmi, – temperatūras pazemināšanos. Radiācijas daudzuma jēdziena izmantošana ļauj to sasaistīt ar atmosfēras ķīmiskā sastāva un Zemes vidējās temperatūras izmaiņām un klimata mainības jutīguma parametru λ, izsakot to kā attiecību starp globālās vidējās temperatūras izmaiņu ΔT_s un radiācijas daudzuma izmaiņu ΔRD:

Siltumnīcefekta pastāvēšana nodrošina to, ka mūsdienās temperatūra uz Zemes atbilst dzīvības pastāvēšanas priekšnoteikumiem. Siltumnīcefekts pastāv ne tikai uz Zemes. Tiek uzskatīts, ka tas nosaka klimatu arī uz Venēras, un siltumnīcefekta dēļ temperatūra uz šīs planētas sasniedz pat 450 ºC.

Daudzām siltumnīcefektu veidojošām gāzēm raksturīgs augsts noturīgums, kuru var novērtēt kā laiku, kas paiet, kamēr tās tiek saistītas vai izvadītas no atmosfēras (sk. 3. tabulu). Ūdens tvaiki relatīvi ātri tiek izvadīti no atmosfēras nokrišņu veidā, bet metāns fotoķīmiski oksidējas par CO₂. Ogļskābā gāze tiek saistīta, tai izšķīstot ūdenī, bet siltumnīcefekta gāzei slāpekļa(I) oksīdam N₂O raksturīgs ļoti augsts noturīgums un stabilitāte. Īpaši noturīgas ir daudzas cilvēka darbības rezultātā atmosfērā nokļuvušās vielas, piemēram, freoni, kas spēj ietekmēt atmosfērā norisošos procesus vēl ilgu laiku.

2.3. tabula. Siltumnīcefektu veidojošo gāzu koncentrācijas mainība atmosfērā un ietekme uz Zemes enerģētisko bilanci

¹ Šeit un turpmāk siltumnīcefektu radošo gāzu koncentrācijas izteiktas kā tilpuma un skaita daļas (attiecīgi: m.d. – miljonās daļas (angļu val. parts per million – ppm); mlrd.d. – miljardās daļas; t.d. – triljonās daļas). Šis koncentrācijas apzīmējums norāda uz vielas daudzumu kopējā gaisa daudzumā, 300 m.d. nozīmē to, ka miljons gaisu veidojošo gāzu molekulu satur 300 molekulu attiecīgās siltumnīcefekta gāzu vai arī miljons tilpuma vienību gaisa (piemēram, miljons kubikcentimetri cm³) satur 300 cm³ attiecīgās gāzes.
² Radiācijas daudzuma (RD) lielums parāda atstarotās enerģijas izmaiņas pie troposfēras augšējās robežas, kuras notiktu, ja attiecīgais komponents tiktu pilnīgi izņemts no atmosfēras.
³ Koncentrācija izteikta kā miljonā daļa.
⁴ Koncentrācija izteikta kā miljardā daļa.
⁵ Gigatonna (Gt) – 10⁹ tonnas.
⁶ Teragrams (Tg) – 10¹² grami.

2.8. att. Siltumnīcefektu veidojošo gāzu koncentrāciju izmaiņas un to ietekme uz saņemtā Saules starojuma daudzumu pēdējo 10 000 gadu laikā.

Atļauja pēc „Climate Change 2007: The Physical Science Basis”, IPCC.

Dažādās siltumnīcefektu veidojošās gāzes var atšķirīgi ietekmēt Zemes klimatu, gan ņemot vērā to spēju atstarot atpakaļ infrasarkano starojumu, gan arī to koncentrāciju atmosfērā. Ja CO₂ potenciālo ietekmi uz Zemes klimatu pieņem par 1, tad citu siltumnīcefektu izraisošo vielu relatīvais potenciāls ietekmēt Zemes siltuma bilanci var būt ievērojami lielāks: metānam tas ir 11, N₂O – 270, bet freonam CF₃Cl – 3400 gadu. Zinot siltumnīcefektu gāzu radiācijas daudzumu, var novērtēt, kādas izmaiņas radīs to koncentrācijas pieaugums atmosfērā un kāda būs šī pieauguma ietekme (sk. 8. att., 3. tabulu).

Pēdējo 10 000 gadu laikā, bet it īpaši pēdējā gadsimta laikā, trīs nozīmīgāko siltumnīcefekta gāzu (CO₂, CH₄, N₂O) koncentrācija Zemes atmosfērā ir ievērojami pieaugusi, un līdz ar to palielinājies Saules starojuma daudzums, kas tiek atgriezts atpakaļ uz Zemes virsmas (sk. 2.8. att.).